Điều khiển robot 5 bậc tự do bằng nhận dạng giọng nói

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5 BẬC TỰ DO BẰNG

NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

Người thực hiện : NGÔ THANH HẢI

Thái Nguyên - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***********************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn : PGS.TS Lại Khắc Lãi

Họ và tên học viên : Ngô Thanh Hải

Đơn vị công tác : Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Cơ sở đào tạo :Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Ngành đào tạo : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Khoá học : 2015 - 2017

Tên đề tài:

“Điều khiển robot 5 bậc tự do bằng nhận dạng giọng nói’’

PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. Đặng Danh Hoằng

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS.TS Lại Khắc Lãi

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất

lớn của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng

nghiệp.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng sau đại học, các

giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn khoa

học PGS.TS Lại Khắc Lãi về những chỉ dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu

và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên

có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến

đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn

thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn ủng

hộ và động viên tôi để tôi yên tâm nghiên cứu luận văn này.

Thái nguyên, tháng 11 năm 2017

Tác giả

Ngô Thanh Hải

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT........................................................ 2

1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (RBCN) ........... 2

1.2. TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................... 3

1.3. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG

NGHIỆP ......................................................................................................... 4

1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................ 6

1.4.1. Tải trọng............................................................................................ 6

1.4.2. Tầm với............................................................................................. 7

1.4.3. Độ phân giải không gian................................................................... 7

1.4.4. Độ chính xác ..................................................................................... 7

1.4.5. Độ lặp lại........................................................................................... 7

1.4.6. Độ nhún............................................................................................. 8

1.5. HỆ THỐNG ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP................................... 8

1.5.1. Hệ thống chuyển động robot............................................................. 8

1.5.2. Hệ thống truyền động robot............................................................ 12

1.5.3. Hệ thống điều khiển robot .............................................................. 14

1.5.4. Hệ thống cảm biến .......................................................................... 15

1.6. ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP..................................... 16

CHƯƠNG 2..................................................................................................... 18

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 5 BẬC TỰ DO ..... 18

2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ROBOT 5 BẬC TỰ DO.................................... 18

2.1.1. Động học thuận robot ..................................................................... 18

2.1.2. Động học ngược robot .................................................................... 22

2.2. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT................................................................. 23

2.2.1. Hàm Lagrange................................................................................ 23

2.2.2 Phương trình động lực học robot..................................................... 25

2.2.3 Phương trình động lực học robot 5 bậc tự do .................................. 28

2.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC KHỚP......................................... 36

2.3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển .......................................................... 36

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển pid điều khiển đối tượng............................. 37

2.3.3. Kết quả mô phỏng dùng PID .......................................................... 44

CHƯƠNG 3..................................................................................................... 46

ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT BẰNG GIỌNG NÓI .............. 46

3.1. TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI ................................. 46

3.2. NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI TIẾNG VIỆT ......................................... 48

3.2.1. Tổng quan về tiếng Việt.................................................................. 48

3.2.2. Mô hình nhận dạng tiếng Việt ........................................................ 51

3.2.3. Hệ thống nhận dạng cơ sở (Baseline)............................................ 51

3.2.4. Đặc trưng thanh điệu và vấn đề không liên tục của dữ liệu ........... 53

3.3. KẾT NỐI MODULE NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI VỚI MODULE

ĐIỀU KHIỂN ROBOT................................................................................ 54

3.3.1. cánh tay robot 5 bậc tự do.............................................................. 54

3.3.2. linh kiện và module kèm theo ...................................................... 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 81

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Chú thích

RBCN Robot công nghiệp

DOF Degree of Freedom

CMM Coordiante Measureent Machine

D-H Denavit-Hartenberg

DC Direct current

PID Proportional Integral Derivative

NCC Normalized Cross Correlation

AMDF Average Magnitude Difference

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình Tên hình Trang

Hình 1.1. Robot công nghiệp IRB – 7600 3

Hình 1.2. Hình dạng cơ khí của 1 RBCN 9

Hình 1.3. (1)Bàn tay robot truyền động thủy lực có 4 ngón tay đối xứng,

(2)Bàn tay robot có 3 ngón tay không đối xứng. 11

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ truyền động thủy lực. 13

Hình 2.1. Sơ đồ khối động học 18

Hình 2.2. Minh họa phương pháp DH 19

Hình 2.3. Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm 24

Hình 2.4. Hệ tọa độ của robot 5 DOF 28

Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian khớp 36

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian làm việc 37

Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín 38

Hình 2.8. Sơ đồ hệ chấp hành có điều khiển 38

Hình 2.9. Vòng điều chỉnh dòng của động cơ một chiều 39

Hình 2.10. Sơ đồ khâu điều chỉnh dòng phần ứng 39

Hình 2.11. Cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của động cơ một chiều 40

Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển độc lập một khớp nối 41

Hình 2.13. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển robot 5 DOF bằng PID 44

Hình 2.14. Đặc tính quá độ của các khớp khi điều khiển bằng PID 45

Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quan của một hệ thống nhận dạng tiếng nói 48

Hình 3.2. Các đường đặc tính của 6 thanh điệu tiếng Việt 51

Hình 3.3. Đường pitch của câu nói “Nhận dạng tiếng Việt” 54

Hình 3.4. Mô Hình cánh tay robot 5 bậc tự do 56

Hình 3.5. Tay kẹp robot 57

Hình 3.6. Board arduino mega 2560 59

Hình 3.7. Sơ đồ chân Board arduino mega 2560 60

Hình 3.8. Sơ đồ linh kiện Board arduino mega 2560 61

Hình 3.9. Sơ đồ chân linh kiện Board arduino mega 2560 62

Hình 3.10. Một số ứng dụng của arduino mega 2560 62

Hình 3.11. động cơ RC Servo Digital RC FR1501 64

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ---------- ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 1 TH: KS. Ngô Thanh H ải

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay robot được điều khiển bằng công nghệ nhận dạng giọng nói

(automatic speech recognition) có một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực

và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, y học, dịch vụ và quốc

phòng. Thực tế, hầu hết các robot hiện nay hoạt động thông qua các hệ thống

điều khiển bằng bàn phím hay các thiết bị xuất nhập khác, nên đòi hỏi những

người tương tác với chúng phải có hiểu biết và kiến thức chuyên sâu về robot

và lập trình. Nên việc giao tiếp giữa người và robot cần phải đơn giản và trực

quan để ai cũng có thể sử dụng. Do đó, giao tiếp giữa người với robot bằng

giọng nói sẽ là phương thức giao tiếp hiện đại và có ý nghĩa quan trọng. Ví dụ

trong sản xuất, một người công nhân bình thường có thể điều khiển một hệ

thống phức tạp bằng giọng nói, hay con người sẽ không dùng bàn phím hoặc

chuột để giao tiếp với máy tính, mà thay vào đó sẽ điều khiển máy tính theo

mệnh lệnh bằng ngôn ngữ.

Trên thế giới đã có nhiều hệ thống nhận dạng giọng nói (tiếng Anh) đã và

đang được ứng dụng rất hiệu quả như: ViaVoice, Dragon Naturally Speaking,

Spoken Toolket nhưng do sự khác biệt về ngôn ngữ nên chúng ta không thể áp

dụng chương trình trên để nhận dạng tiếng Việt. Do đó, một hệ thống nhận dạng

giọng nói tiếng Việt cần phải được xây dựng. Đề tài này xin được thiết kế

module nhận dạng giọng nói tiếng Việt để điều khiển robot 5 bậc tự do. Bên

cạnh đó, đề tài cũng tìm hiểu và nghiên cứu về robot 5 bậc tự do ứng dụng trong

công nghiệp gắp sản phẩm.

Đề tài “điều khiển robot 5 bậc tự do bằng giọng nói tiếng việt’’ là một đề

tài có tính ứng dụng thực tế cao, có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp và

nghiên cứu trong các trường đại học.